Excellence in Mathematics Report from the Maths Excellence Group ...

4 downloads 0 Views 342KB Size Report
Numeracy is an important part of mathematical capability, but mathematics is ... regulations and guidelines regarding healthy tuck shops (national and local) and ...
Excellence in Mathematics  Report from the Maths Excellence Group  Foreword  The adoption of Curriculum for Excellence represents a significant step forward for education in  Scotland. But it is only a step, and the biggest challenge lies ahead, because the curriculum that  matters is not what is in the documents—it is in the lived experience of children and young people  in Scottish schools.  Too often in the past, curriculum reform has been regarded as a simple process.  It is not, because  the curriculum comes to life only when each teacher finds a way of making sense of it in the  context of her or his own classroom. Implementing a new curriculum is therefore not a process of  giving new instructions to teachers.  It involves every teacher in creating new knowledge about  how to engage children and young people in new activities, new ideas and new kinds of learning.   It is fundamentally a creative process.  This means that teachers, working together in schools, will need to explore, experiment, and  exchange ideas about how to make Curriculum for Excellence work for them.  No amount of well‐ meaning advice by experts can replace this.  So why have we written this report? Because while we cannot provide an instruction manual or a  roadmap for implementing Curriculum for Excellence, we believe that we can help teachers avoid  some of the potential blind alleys and dead ends, and provide some prompts that may stimulate  reflection.  We have drawn on research evidence where appropriate, but there are many areas where the  research evidence is inconclusive, or even contradictory, and teachers will need to use their  professional judgment in deciding what weight to place on the evidence in this report.  There is much work to do, but the benefits are significant—to help children and young people in  Scotland to understand and value the power of mathematics, to equip them with the skills to  contribute effectively in the world of work and in civil society, but also, and perhaps most  importantly, to exercise greater control over their own lives.    Dylan Wiliam, Co‐chair, Mathematics Excellence Group 

 

1

In my business career I have seen the relevance and application of mathematics skills in two  distinct areas:    ƒ as a business leader in the financial sector I have seen the importance of numeracy for all  employees who work in our business – whether they are customer service staff, specialist  finance or actuarial professionals, IT workers or HR and training staff    ƒ through my work in the field of financial capability in schools and with people in later life I  have seen the importance of numeracy in coping with the countless financial decisions we  make every day.      Whether it is by owning a mobile phone for the first time, or saving for a new PC game, or football  strip with the new star’s name emblazoned on the back – dealing with financial matters creates an  opportunity to engage all children with mathematics in a relevant and exciting way.    I commend the work of the Excellence Group in producing such a readable and valuable report.  It  will contribute in a real way to improving the development of mathematics teaching in Scotland.    Otto Thoresen, Chief Executive, AEGON UK 

 

2

Excellence in Mathematics  Introduction  ‘To face the challenges of the 21st century, each young person needs to have confidence  in using mathematical skills, and Scotland needs both specialist mathematicians and a  highly numerate population.’ (Building the Curriculum 1)  Mathematics permeates all aspects of modern life. Mathematics continues to grow in  importance in the world of work, but mathematical capability has also become essential for  improving one’s personal life. Fostering excellence in mathematics is therefore not just vital  to every nation’s economic prosperity. It is also essential to creating an equitable society.  Numeracy is an important part of mathematical capability, but mathematics is more than  just becoming familiar and fluent with numbers. Mathematical capability includes:  •

Using and applying skills in the real world, including the appropriate use of information  and communications technology (ICT) 



Being open to new ideas and alternatives, and appreciative of the importance of  evidence, and critical reasoning 



Being curious, imaginative and diligent 

The sections that follow in this report will offer some details on and exemplars of key  elements of excellence in mathematics, which will include:   •

Motivating, engaging and imaginative use of mathematics across learning, in life and in  work 



Characteristics of effective mathematics teaching and learning experiences. 



A clear and full understanding of essential knowledge and of progression within the  development of skills and concepts in mathematics, including key numeracy skills and  techniques. 



Effective assessment as the bridge between teaching and learning 



Maintenance and development by educators of essential mathematical knowledge and  skills, and of appropriate pedagogical skills through planned, high quality continuous  professional development (CPD) 



The importance of partnerships, external insights and support 

Each section concludes with some questions for teachers, for leaders and for policymakers to  generate reflection on the issues raised.   

 

3

Imaginative use of mathematics across learning, in life and work  Curriculum for Excellence promotes the development of and support for Numeracy Across  Learning as the responsibility of all teachers.  Where appropriate, there should also be  opportunities to apply mathematical concepts and skills in other curriculum areas and particularly  in science, technology and engineering (together with mathematics these are often called the  STEM disciplines).  Successfully doing so highlights their significance and relevance, deepens  learning across the curriculum, reinforces the numeracy and mathematical concepts and skills  learned and, therefore, has the potential to strengthen the learner’s interest, motivation,  engagement and achievement.  To ensure depth, young people must be able to apply the key  mathematical skills and understanding they have acquired in new, non‐routine and relevant  contexts.  Central to this is the development of higher‐order thinking skills that enable the learner  to identify which particular mathematical techniques can be appropriately applied in order to  progress towards a solution to a problem.  When a new skill has been acquired, a degree of  repeated practice and consolidation may be required in the short term but it is vital that learners  are provided with a range of realistic opportunities and activities within which to apply the new  skill in both familiar and unfamiliar contexts.  For example, well‐planned interdisciplinary activities  that extend mathematical skills and allow their application in fresh, relevant, exciting and  increasingly complex contexts will serve to engage and enthuse learners.         

BiomassEating Boiler,and MTH 3-20b,MTH TCH 3-20b, 3-06b, TCH TCH 3-06b, 3-08b, TCH MNU3-08b, 3-20aMNU 3-20a Healthy Living, Collaboration between between Mathematics Mathematics,and Geography and Science Collaboration ICT

Thepupils school undertook inter-disciplinary activity, centred on the ‘big “What S1 work in Maths an in groups to collect data from surveying a sample ofquestion’ pupils from each   year will the impact of future climate change be on the school’s current energy group on what products they think should be on sale in the healthy tuck shop, use digital management system?”, provided by their Biomass Boiler. The project could reflect   video technology to capture the views of a sample of pupils, raise their awareness of current global issues exploration in a local context and would that e regulations andthrough guidelines regarding healthy tuck shops (national anddemonstrate local) and undertak   some numeracy skills are transferable across curricular areas. product research using the internet. The pupils work in Computing using appropriate handling software to store and organise the survey data and to prepare digital   data Within mathematics, pupils used weather data from a local Met Office station, to plot a presentations of their findings and recommendations. Each group delivers its presentation to time series of average temperatures or rainfall against the energy output from the   h h l l d h il hi h () h h l’ HWB boiler in order to try to identify any correlation between the data sets. In Science,   pupils visited the biomass boiler to find out more about it and they carried out a practical investigation into the power output from woodchips and looked at the cost of   the energy. In Geography, pupils used weather graphs to discuss long-term trends, to   make individual predictions about future trends and to discuss the impact of future trends on the energy cost for the school.   Throughout the activities, there was a focus on both numeracy skills and transferable   life skills such as investigation, analysis and evaluation. As well as collaborating effectively to integrate numeracy learning across learning, teachers worked hard to   ensure that concepts specific to the individual disciplines were also developed   effectively.

 

4

In order to provide well­planned, imaginative and effective interdisciplinary  working and collaboration  Teachers should consider:   •

When planning activities, which features of interdisciplinary learning and collaboration  they are emphasizing, and how this will add value in terms of its impact on young  people’s learning? 



Do the activities provide children and young people with opportunities to talk about  and explain their mathematical ideas and understanding? 



How they will promote the learner’s active participation and ensure that the learning  provides appropriate challenge and skills progression? 



Whether the activities provide opportunities for learners to work independently and  with others? 



In the course of the activities, are opportunities to make clear reference to key  concepts maximised? 



Have the activities been designed to provide opportunities for good use of ICT to  promote understanding and to enliven teaching? 



What steps have been taken to ensure that the activities are reviewed, improved and  sustained? 

School leaders should consider:  •

How to ensure that there are structured and regular opportunities for key staff to  collaborate to plan learning opportunities across learning, rich in number and  mathematical contexts. 



How to develop a shared understanding and agreement among all teachers of key  numeracy concepts, definitions, terminologies and teaching methodologies.  This is  essential to ensure that learners can make the desired connections in their  mathematical learning across the curriculum areas. 



The implications for school systems and resources of enabling high quality  interdisciplinary learning and collaboration. 

Policymakers should consider:  •

How can the assessment systems in place provide clear incentives for teachers and  leaders to give appropriate emphasis to high quality interdisciplinary learning and  collaboration.      

 

5

The mathematical learning experience   A  recent  report  from  Her  Majesty’s  Inspectors  of  Education,  Learning  Together:  Mathematics,  suggested that effective learning in mathematical activities has the following characteristics:  Good pace and depth of learning  Teachers need to plan mathematical tasks and activities that meet the needs of all learners well.  Key features of well‐paced lessons include a clear and shared focus on the purpose and expected  outcomes  of  learning,  an  optimum  amount  of  time  spent  on  active  learning  (rather  than,  for  example, working through numerous pages in a textbook), high levels of learner motivation  and  engagement in thinking.  Effective teaching ensures also that there will be no significant gaps in  learners’  knowledge  or  skills  development.  To  achieve  an  appropriate  pace,  teachers  need  to  consider  both  the  rate  of  learning  and  learners’  capacity  to  acquire  new  concepts.    It  should  be  noted that pace is not the same as speed. Pace in lessons requires that as much of the available  time in lessons is spent with learners “minds on”—slower pace of learning but with a greater focus  on  learners’  deeper  understanding  can  increase  achievement i .  It  is  also  important  that  artificial  ceilings are not placed on the expectations of learners: some learners simply need a bit more time  to  understand  fully  important  concepts  and  skills,  or  have  them  presented  in  a  slightly  different  way.  Challenge, enjoyment and positive attitudes  Teachers should aim to set tasks and activities of increasing levels of complexity that continually  develop,  reinforce  and  extend  learners’  understanding.  Appropriate  challenges  and  embedded  problems will help learners make connections between aspects of mathematics and to their prior  mathematical understanding. Activities should also promote higher order thinking skills including  analysis, reasoning, deduction, and creativity (see Bloom’s revised taxonomy) and should require  learners  to  apply  their  knowledge  and  skills  to  solve  relevant  problems;  bringing  the  real  world  into the mathematics classrooms helps learners to make important connections so that they can  use and apply the mathematics they learn in the classroom elsewhere ii .  Independent and collaborative learning  Independent  learning  requires  learners  to  be  confident  enough  to  make  smart  choices,  for  example,  about  the  resources  they  use,  how  to  approach  tasks  and  in  terms  of  monitoring  and  evaluating  their  own  progress.  Effective  collaborative  learning  challenges  individuals  to  think  independently as well as to share their thinking, to engage actively in discussion and to debate and  learn from each other.  Active Learning  One  of  the  most  important  things  learned  about  the  human  brain  in  the  20th  century  was  that  learning is not a process of passively acquiring knowledge—we actively construct our knowledge,  and  the more engaged we  are in  activities,  the  more likely  they  are  to  result in  lasting  learning.  This  does  not  mean  that  children  and  young  people  need  to  be  physically  active  while  learning.  Rather  it  means  that  teachers  should  provide  opportunities  for  play  and  other  activities  which  require  learners  to  engage  cognitively  with,  and  respond  to  their  learning,  to  analyse  and  make  decisions,  explain  their  thinking,  and  synthesise  aspects  of  their  existing  skills.  Providing  knowledge  and  skills  without  due  reference  to  other  connected  aspects  of  mathematics  or  relevant  contexts  and  meaningful  activities  will  limit  learners’  mathematical  development.  Learners  should  be  encouraged  to  think  deeply  about  mathematical  ideas  and  concepts,  to   

6

develop  and  deepen  their  own  understanding  and  to  use  their  existing  skills  and  knowledge  in  different contexts, including their application in unfamiliar and non‐routine problems.    Confidence and security  It is important that learners are secure in their mathematical knowledge and understanding. They  need to be able to recognise the mathematics in a range of contexts and have the confidence to  apply the skills. To do this, learners need a good range of rich experiences.  But they also need to  understand  that  everyone  can  learn  mathematics.  Many  adults  (including  parents)  say  that  they  were “no good at maths”. Many adults appear to be happy to admit this, while for others, it is a  real source of anxiety.    In a report for the Scottish Government iii , Diana Coben described how many adults looking back at  their  mathematical  life  histories  shared  similar  experiences.  Three  themes  were  particularly  common:    The ‘brick’ wall – the point (usually in childhood) at which mathematics stopped  making sense;  for some people it was long division, for others fractions or algebra, while others never hit the  brick wall. For those who did, the impact was often traumatic and long‐lasting.  The ‘significant other’ – someone perceived as a major influence on the person’s maths life  history. The influence might be positive or negative, past or present. Significant others  included, for example, a parent who tried to help with maths homework; a teacher who made  the person feel stupid; a partner who undermined the person’s confidence in their  mathematical abilities.  The ‘door’ – marked ‘Mathematics’, locked or unlocked, which people have to go through to  enter or get on in a chosen line of work or study.    For some, the emotional reaction can be so profound as to induce feelings of dread that interfere  strongly with the concentration needed to carry out mathematical tasks iv  and the assumption that  ‘I can’t do maths’ takes over. While practice can be important in addressing this, it is usually much  more productive to alleviate anxiety and to support the learner, for example by using alternative  approaches,  and  making  sure  that  learners  do  not  feel  unduly  pressured  to  complete  activities  quickly. Helping learners shift from “I can’t do this” to “I can’t do this—yet” builds confidence that  effort generates success in mathematics, and it can also be helpful to support parents and carers  so  that  they  too  can  support  learning.    Teachers  and  tutors  may  well  become  ‘the  significant  others’  for  a  number  of  children  and  young  people.   Whether  that  significance  is  positive  or  negative depends entirely on the teacher and their teaching methods.  They might be the person  who helps to unlock the door or who gives a pupil the confidence to pass through it, for example  by  using  alternative  approaches,  and  making  sure  that  learners  do  not  feel  unduly  pressured  to  complete activities quickly.   

 

7

In order to generate engaging and effective learning experiences for  mathematics  Teachers should consider:   •

Which of the current aspects of their practice are most effective in achieving the kinds of  mathematical experiences described in this section? 



How can they build on these successes to apply these approaches in other areas of their  practice? 

School leaders should consider:  •

What kinds of support will teachers need in developing their practice in the way described  in this section? 



How can the best balance be struck between accountability and support to ensure that  teachers continue to meet the needs of the learners while also taking measured risks on  improving their practice? 

Policymakers should consider:  •

How can what is known about effective practice in mathematics teaching be more  effectively communicated to practitioners and leaders? 

 

Characteristics of effective teaching in mathematics  The  HMIe  report  Learning  together:  mathematics  notes  that  effective  teaching  in  mathematics  requires  teachers  to  increase  children’s  ability  to  use  mathematics  to  solve  problems.  However,  not  all  teachers  identify  appropriate  and  relevant  contexts,  instead  relying  too  much  on  commercially  produced  schemes.  In  order  to  achieve  higher  standards  in  mathematics  and  to  make it more relevant to learners, continuous professional development (CPD) must feature more  strongly  within  schools  and  local  learning  communities,  whereby  staff  can  share  good  practice,  model effective teaching, coach/mentor and provide CPD opportunities for colleagues.    Connecting  learning  in  numeracy  and,  where  appropriate  mathematics,  with  that  in  other  curriculum  areas  (particular  those  related  to  the  STEM  disciplines)  through  well‐planned  interdisciplinary  learning  will  help  ensure  appropriate  challenges  and  progression  in  skills  development  within  enriched,  authentic  contexts.    Many  concepts  in  mathematics  are  inter‐related,  so  knowing  one  helps  you  understand  others.    Learners  need  to  be  given  opportunities to experiment with the concepts that they learn, to apply them to other areas, to  reformulate them and describe them to someone else.  A number of studies of effective teaching  of mathematics v  have found it is important to emphasise connections:    •

 

between different aspects of mathematics, such as connections between operations (e.g.,  that addition is the inverse of subtraction) and, connections between topics such as shape,  8

number (and algebra) such as those generated by investigating the number of lines needed  to create a ‘mystic rose’ inside the 5‐point circle below:  Number of lines = 4 + 3 + 2 + 1 = 10 (Why?) Formula = ½ n (n-1), where n = 5 points ½ x 5 x 4 = 10

  This example can also be used to underscore the importance of going beyond just finding  patterns and understanding the reasons behind them, by looking at the number of regions  created within the circle by the addition of extra points:    Number of points  1  2  3  4  5  6    Number of regions  1  2  4  8  16  ?   

• •

The pattern suggests that 6 lines will create 32 regions but the answer is actually 31  regions.  This example highlights the importance of such mathematical concepts as testing  conjectures and proof.    between different representations of mathematics. This could include moving between  symbols, words, diagrams, objects and graphs;    with learners’ methods. This could include valuing their methods, being interested in their  thinking and sharing their methods. 

Teaching  approaches  should  consistently  involve  sharing  the  purpose  of  learning  with  children,  encouraging  their  engagement  in  tasks,  in  evaluation  of  their  progress  and  achievement,  and  in  using high quality feedback to inform planning of next steps in learning.  Teachers  should  use  a  range  of  techniques  to  elicit  students’  understanding.    Questioning  in  classrooms should have two main aims: to cause thinking, and to provide evidence about current  achievement that teachers can use to adapt their teaching to better meet the needs of learners.  While  open‐ended  questions  are  essential  to  effective  teaching,  carefully‐designed  closed  questions can be valuable too.  Questions like “Can a triangle have two right angles?” are clearly  closed  (there  are  two  answers,  and  one  of  them  is  wrong!)  but  if  students  do  not  know  the  answer, then such a question can provoke valuable discussion in the mathematics classrooms.  It is  also worth noting that sometimes, it can be more effective to make statements rather than asking  questions.  The question “Are all squares rectangles?” is likely to elicit either a bald “yes” or “no”  whereas  making  the  statement  “All  squares  are  rectangles”  seems  to  encourage  students  to  provide  reasons  for  their  agreement  or  disagreement,  and  thus  enrich  the  quality  of  classroom  dialogue. 

 

9

Teachers  should  also  listen  interpretively,  rather  than  evaluatively  to  learners’  responses.  When  students answer questions incorrectly, it is often possible, by exploring the reasons for the answer,  to establish why the student responded incorrectly. If all the teacher discovers is that the student  does not know the correct answer, the only recourse for the teacher is to teach the material again.  Effective  teaching  also  necessitates  maximizing  the  opportunities  for  children  to  work  collaboratively. Interacting with others to share understanding, develop and explain thinking, and  to explore and demonstrate learning ensures that learners are engaged and active in classrooms.  In  short,  effective  teaching  places  learners  at  the  centre  of  their  own  learning,  provides  opportunities for learners to make choices about resources, methodology and evaluation of their  progress and achievement, encourages shared, high expectations in respect of effort, appropriate  progress  for  each  learner  and  achievement,  and  will  ensure  that  all  learners  feel  valued  and  supported sufficiently to seek help as they need.  

In order to secure effective teaching of mathematics  Teachers should consider:  •

What are the key aspects of the development and progression of mathematical skills  and concepts? 



What are the key building blocks in mathematical learning and where to go back to if a  child is struggling to go forward? 



How can they continue to maintain and develop their mathematical knowledge and  teaching methods?  



How can they sustain high levels of expectations of learners’ effort and engagement,  progress and achievement, and thus motivate learners to do even better? 

School leaders should consider:  •

How they can create opportunities for teachers to share their knowledge and to learn  for each other. 

Policymakers should consider:  •

What support and incentives are needed for teachers and leaders to create the kinds of  learning environments for teachers that will be necessary for the continual  improvement of practice?   

Essential knowledge for teaching mathematics   Mathematics is a sequential subject; the learning achieved at each stage of development of a skill  provides the foundation for learning at the next stage. Each stage of development, however,  benefits from being reinforced through challenging practice, including through contextualised  problems and applications across learning, in real life and in the workplace. Therefore, as well as   

10

making progress through the stages of a mathematical concept or skill, a learner can also make  progress in their capacity to apply that skill in an appropriate way.   Some learners make smooth, even progress across the range of mathematical skills being  developed but for most, this will not be the case. Many encounter “stumbling blocks” that appear  insuperable, but in retrospect, the learner cannot understand what was so difficult. Most learners  have more aptitude in some skills than in others, and the vast majority of learners progress in “fits  and starts” rather than smoothly (the Leverhulme Numeracy Research Programme found that only  10% of primary school children made steady progress over a four year period—the other 90% had  at least one six‐month period where they made no progress, or went backwards in their learning  of mathematics).  Teachers of numeracy and other aspects of mathematics must be confident in their understanding  and competent in their application of key concepts and skills and how they can interconnect. Key  elements of essential concepts and skills, some of which provide challenges in teaching, include:  •

Knowledge and understanding of number, the number system and its operations. It is  vital that children from the earliest stages of mathematical learning develop a sound  sense of counting and a clear understanding of how numbers relate to size, quantity  and order. A ‘sense of number’, has been defined as ‘… an intuitive understanding of  numbers, their magnitude, relationships, and how they are affected by operations.’ vi  Having a well‐developed sense of number allows an individual to manipulate numbers,  comprehend the connections between operations, decipher written ‘problems’ and  tackle calculations that have a number of steps.  This can be a challenging aspect of  mathematics to teach and it cannot be achieved by learners doing pages of written  sums.  The freedom to ‘play around’ with numbers without worrying about exact  answers is one way to tackle this. Marvin Minsky—one of the leading cognitive  psychologists of the last half century—suggests that one of the key problems is that  mathematics teaching focuses too much on preventing mistakes and too little on  promoting inventiveness in learners vii 



Well developed skills in calculating mentally.  Developing a good range of flexible  strategies for calculating mentally enhances learners’ progress and achievement in  mathematics.  Some commonly used algorithms like ‘decomposition’ for subtraction  prove challenging for many learners to master.  By ensuring that learners become  adept at using such skills as ‘counting on or back from’, teachers can provide them with  alternative, more straightforward strategies which are often more successful. Teachers  should also encourage learners to understand and use inverse processes to simplify a  problem. Subtracting 29 from 42 is much more difficult if ‘decomposition’ is used when  compared with “counting on” (i.e., working out what needs to be added to 29 to get  42).  Simple representations such as the ‘empty number line’ or using a ‘rekenrek’  (developed by the Freudenthal Institute in the Netherlands) can also greatly assist  learners to calculate effectively.        

 

11

the rekenrek     Understand and using inverse processes to simplify a problem. For many learners,  calculating 32 ÷ 4 can be daunting, but is much simplified on appreciating the  relationship between 32 ÷ 4 and 8 x 4. In many countries, where levels of numeracy are  high, teaching mental calculation forms the basis of early learning in number which is  complemented by the introduction of formal algorithms at appropriate stages.   Learners will make better progress in their mathematics if they can manipulate  appropriate number facts accurately and speedily and apply them within real situations  involving eg money, measure and time, which will help them become more confident  individuals.  Whilst it is important that learners are able to recall and apply facts  speedily and accurately, it should be noted that skills learned in rote fashion will  atrophy whereas skills acquired with deeper conceptual understanding will be more  easily reacquired, as and when necessary. 





Skills in estimating appropriate quantities. Estimation is something that learners often  find difficult. This may be as a result of an over‐emphasis on getting “the right answer”  but of course, being able to decide if an answer is approximately correct is vital even  where accuracy is important. Teachers need to develop in their students not just the  skill of estimating, but also the ability to decide how accurate an answer needs to be,  for a given context. 



Recognising, working with, extending, and justifying patterns based on attributes and  numbers.  Children and young people are often fascinated by patterns, including  number patterns. A key skill that underpins mathematical and numerical development  is the ability to spot a pattern, to continue and extend the pattern, to discover a rule  governing it, and to provide a mathematical justification of why the pattern does,  indeed, continue in the way described. The ability to spot number patterns is enhanced  by the knowledge of the most commonly encountered patterns in mathematics, such  as the square numbers, the triangle numbers and the Fibonacci sequence.  



A sound grasp of the concept of place value. Understanding place value is absolutely  essential to a firm grasp of number. Initial development based on the context of money  enables learners to relate place value to other contexts. The use of appropriate  concrete resources will help learners to picture place value “in action” and improve  their understanding.  One particularly powerful way of doing this is by using the idea of  bundles of 10 sticks, and bundles of bundles, as in the following representation of the  number 234:         

 

12

    The appropriate use of ICT (e.g. interactive white boards) can provide a dynamic context for  learning together with helpful imagery, which can enhance the learning experience and aid  longer‐term understanding.    • A confidence in using appropriate mathematical language and notation.  The language of  mathematics can be confusing to learners. For example, the terms ‘subtract, ‘minus’, ‘take  away’ and ‘difference between’ all relate to the same process but many learners do not easily  relate all these terms to that process.  Children need to be introduced from early stages to and  gain confidence in using mathematical language, to continue to develop that language  appropriately throughout their learning and to use it confidently when explaining their thinking  and answers to others.  There are commonly used terms that have a particular meaning in  mathematics lessons that learners need to recognise and understand such as the product of  two numbers, the mean of a set of data and  the derivative of a function;     • The application of key mathematical properties and relationships. Such properties include the  commutative, associative and distributive properties, and the concept of ‘variable’, an  understanding of which provide for an effective progression from specific number work into  more generalised number and the skills of algebra; for example, the commutative property for  addition, exemplified by  3 + 5 = 5 + 3,  later generalises to x+y = y+x.   A robust understanding  of the concept of inverse relationships will support effective calculating strategies. As noted  above, the problems 8 x 4 and 32 ÷ 4 are interconnected, and are related to ¼ of 32. Familiarity  with, and practice of, these kinds of re‐expressions will provide a route towards robust  understanding of more abstract relationships, such as algebraic inverse functions. Initially the  inverse processes met are:  ‐ addition with subtraction   ‐ multiplication with division.  An understanding of the inverse nature of these processes is the foundation for solving  equations and it also highlights inverse relationships throughout mathematical learning such as  ‐ squares with square roots  ‐ removing brackets with factorisation  ‐ enlargement with reduction  ‐ exponential functions with logarithmic functions      

 

13

• Understanding and applying the concepts, notation and related operational skills of fractions,  decimal fractions and percentages (and their interrelationships) and to be able to apply these  skills in learning, life and the workplace.  Teachers can assist learners’ understanding of these  concepts by ensuring that they are given a range of representations of fractions from the  outset. For example, fractions can be shown not only showing fractions as segments of a ‘pizza’  or ‘cake’ or as part shadings of an area but also as points on the number line.  Teachers need  also to emphasise the relationship between fractions, division and ratio.  A popular resource,  Thinking Through Mathematics, recommends that educators attempt to create connections  between topics as learners often find it difficult to generalise and transfer their learning to  other topics and contexts viii . Effective teachers build bridges between ideas. ix    • Successful progression from specific numbers to generalised algebraic thinking. Learners need  to progress from competence with number processes and associated inverse operations to the  use of letters (or symbols) in simple formulae and in simple mathematical expressions to  represent a variable, where any one of a variety of numbers can be used. This is the stepping  9 stone to mathematical modelling using relationships such as F =  /5 C + 32 (converting  temperature from Centigrade to Fahrenheit) and analysis, usually involving the solving of  equations.  Teachers need to be aware of the confusion that can arise when difference  disciplines use the same symbol for different quantities. For example, it is common to use the  letter s for speed in the mathematics classroom, whereas in the physics classroom, it is often  used to denote distance. Raising such matters with students as potential difficulties increases  the likelihood that students check the meaning of a symbol rather than assuming it means the  same thing in all contexts.    • An ability to classify and relate 2D shapes and 3D objects using their key properties.   Programmes in mathematics often highlight recognition of common shapes and objects but do  not always place sufficient emphasis on their properties.  It is vital that learners understand the  importance of investigating appropriately such properties as edges, faces, vertices, angles,  symmetry, area and volume.  Encourage learners to ‘play’ with shapes and objects by building  and drawing them, comparing them (similar and congruent shapes), folding them (symmetry)  and turning them (angle). Working with geometrical shapes (such as the square and the circle)  to understand their basic features is necessary before any in depth study of their properties can  be meaningful.  This leads in turn to analysis of, and calculations within, complex mathematical  diagrams, usually involving angles for which the groundwork done over earlier stages of  development will now also come into play.    • Being able to solve a wide range of problems, originating from real life or from within  mathematics learning or from scenarios encountered across the curriculum areas.  As learners  progress through their mathematics programme, such problems will grow in complexity and  levels of interpretation and will mature in relation to the contexts involved.  Solving problems is  an ideal environment in which children and young people can apply the mathematics they are  learning.  In primary schools in Singapore, for example, a structured approach is taken to  developing skills in solving word problems, based on the number of steps involved in solving  the problem and effective ‘bar‐modelling’, shown below, is used to provide learners with a  visual representation of a problem to be solved.     

14

   

  Learners can apply this simple pictorial model to a wide range of mathematical problems.  

  In order that those involved in the teaching of mathematics have the knowledge  they need  Teachers should consider:  •

What specific topics present particular difficulties for students, and how can they find  time to work with other practitioners to identify, and solve, common problems? 

School leaders should consider:  •

Whether the existing time available for administration and professional development  within the school can be used differently in order to enable teachers to share practice  and plan collaboratively? 

Policymakers should consider:  •

How can the progression between the initial preparation of teachers and their  continuing professional development be aligned to ensure that teachers develop, both  in pre‐service and in‐service training, the knowledge they need to maximize learning? 

 

Assessment as the bridge between teaching and learning  Learners do not learn what we teach. Or to put it more carefully, it is not possible to predict with  any certainty what learners will learn as a result of any particular sequence of classroom activities.  That is why the most effective teachers spend a considerable amount of time finding out what  students have learned before they attempt to teach anything else. And that, in turn, is why  assessment is at the heart of effective teaching. 

 

15

Of course, there is a role for assessment conducted at the end of a sequence of classroom  activities, so that the teacher can record what the students have learned. However, this kind of  assessment at the end of the learning process rarely influences what happens next. For  assessment to be at its most powerful, the assessment must take place before the end of the  learning, so that the information from the assessment can be used to adjust the classroom  activities to better meet student learning needs.  This role of assessment is sometimes called ‘formative assessment’, since the assessment forms  the direction of future learning.  How often, and in what way the assessment is conducted, is far  less important than the idea that the assessment should be used to help the teacher make better  decisions about what do next than he or she would have been able to make without the evidence  from the assessment. Here are some examples.  1. A teacher plans a three‐week unit on fractions and decimals. Since the class spends an hour on  mathematics every day, she has fifteen hours to spend on the unit. However, she plans to cover  all the material in the unit over the first twelve days. On the thirteenth day, the students in the  class do a test on what they have been learning. The teacher collects in the students’ test  papers, but does not mark them. Instead, she reads the students’ papers, and on the basis of  what she sees, she plans what she is going to do with the class on days fourteen and fifteen.     2. A teacher has been teaching students about lines of symmetry, and ten minutes before the end  of the lesson, she displays the following images on the board:   

  She calls out “A” and each student in the class has to vote by holding up the right number of  fingers to show how many lines of symmetry shape A has, and then does the same for B, C, D, E  and F. As the students vote, she doesn’t try to remember how each student responds. Instead  she focuses on just two things:  •

Are there any items that a significant proportion of the class answer incorrectly, and  which she needs to re‐teach with the whole class? 



Which two or three students would benefit from individual attention? 

She sees that many students indicate that they think that shape D has just three lines of  symmetry, and that shape E has no lines of symmetry even though it is, in fact, a rhombus. She  points out to the class that D has six lines of symmetry, three through the corners, and three   

16

through the mid‐points of the edges and reminds the class to look for lines of symmetry that  are not horizontal, vertical, or at 45°. In both of these cases, she realizes that the incorrect  answers may not necessarily indicate poor mathematical understanding. After all, in the case of  shape D, holding up just three fingers could be a result of students thinking that only one hand  would be necessary, and as a result of the distortion of the data projector, the image of shape E  might not actually be the rhombus shape intended. Nevertheless, she is well aware that in  teaching, it is better to assume students do not know something when in fact they do than to  assume that the do know something, when in fact, they don’t.  3. A teacher has been teaching graph‐sketching to an S5 class. They appear to understand the  important ideas, but just to be sure, she asks every student in the class to sketch, on their mini‐ white boards, “the graph of y equals one over one plus x squared”. The students hold up their  responses, and she sees that they all are able to do this. She moves on to the next chapter.     In the first two of these cases, the assessment was carefully planned, but in the third it was done  “on the fly”. In the first of these cases, the length of the cycle was three weeks, while in the third,  it was two minutes. The common feature is that in each case, the teacher collected high‐quality  information about student achievement in order to make a decision about what to do next.  Many teachers in Scotland will by now be convinced of the benefits of using formative assessment  in their classrooms, others will have read the literature, attended in‐service days, possibly even  experimented a little, but are still doubtful of its value.   The Mathematics Excellence Group advocates strongly the planning of questions into lesson  preparation. Such questions have been called ‘hinge questions’. The idea is that the teacher plans  every lesson with a ‘hinge’; a point in the lesson when the teacher can check on student  understanding, and then decide what to do next.  ‘Hinge’ questions are typically designed to test  learners’ understanding of one important concept in a lesson—one that is critical for pupils to  comprehend before the teacher moves on in the lesson. However, since it is meant to be a quick  check on learning, rather than a learning activity in itself, each student should respond to the  question within two minutes (and preferably less) and the teacher must be able to collect and  interpret the responses from all students in 30 seconds, whether by ‘finger voting’, classroom  clickers, mini white boards, or some other system. 

In order to ensure that assessment is used to support learning, as well as  measure it  Teachers should consider:  •

What specific techniques they can begin to use to improve the quality of evidence they  generate for the decision they need to make during teaching. 

School leaders should consider:  •

 

How can senior leaders monitor and evaluate the development of teachers’ assessment  skills, and share good practice across the school? 

17

Policymakers should consider:  •

How can the assessments generated by teachers in different schools be evaluated and  shared, to reduce the extent to which every teacher or school has to “reinvent the  wheel”? 

Continuous professional development (CPD)  No matter how well it is designed, initial preparation cannot possibly meet all teachers’  professional learning needs. Career‐long professional learning is not, therefore, a ‘nice to have’  but an essential part of professional practice, both to improve outcomes for learners, and to  improve teacher retention. At present, the majority of site‐based professional development  activities include peer coaching, mentoring, modelling, observing and providing feedback to  others. It is most likely to be enhanced in a lasting way when CPD policy and practice allow for  richer learning experiences than are usually offered in short courses based on a developmental  model of skills acquisition.   Contemporary thinking on CPD indicates that it is most effective when it is aligned with existing  school culture, is led by peers, is collaborative and is sustained—for more than one term and  ideally for more than a year.  A review of experimental studies found that one‐off CPD sessions  and programmes of less than 14 hours in total showed no statistically significant effect on student  learning, while programmes with between 30 and 100 contact hours over six to 12 months  showed a significant positive effect on student outcomes. The authors concluded that “sustained  and intensive professional learning for teachers is related to student‐achievement gains” x .  Other reviews of research have also provided strong evidence for the effects of CPD. One review xi   identified four sets of factors that appeared to be particularly important for professional  development to be effective. First, teachers need to have some control over their professional  development, so that it could meet the changing needs of teachers as they gained experience.  Second, the professional development must be focused on the outcomes for learners— professional development that is not, at least in some way, designed to improve outcomes for  learners is self‐indulgent. Third, effective professional learning required the support of senior  leaders within the school. Fourth, professional learning is considerably enhanced by external  support and networking, with other schools, with local authorities, and with higher education  institutions. Another review xii  looked systematically and in detail at the contents of CPD  programmes that increased student achievement. While the timescales, patterns of meetings, and  the amount of support varied, there were a number of common features:  •

the CPD built on what teachers knew and could do already, with an emphasis on  individual learning 



teachers were encouraged and guided in supporting each other 



there was some external input, in terms of both theory and practice, for example by  sharing experiences from other schools and teachers, or from research studies 



there was a shift in the “ownership” of the reform from those providing the external  stimulus to the teachers themselves. 

 

18

Although none of the three reviews discussed above focused specifically on the teaching of  mathematics, it would appear that positive outcomes for the learner and teacher will result from a  longer term commitment to the development of teachers’ skills throughout their careers. There  must also be an alignment between the professional needs and school and national developments  so that there is a greater awareness of how to identify training needs, in turn leading to more  tailored and effective CPD provision.  CPD is most effective when it involves a cycle of reflection  and discussion between practitioners and the outcomes are integrated into classroom practice.  Support for CPD is available from local, peer ‘coaches’ and ‘mentors’, from Education Authority  providers and from national providers such as Learning & Teaching Scotland, Tapestry, the Scottish  Mathematical Council and through CPD Find.  

In order to benefit from well­planned CPD which will provide development in  both subject­based knowledge and teaching skills  Teachers should consider:   •

what their personal CPD needs are. 



how these needs can best be met through a sustained programme of development. 



how they can maintain and develop their mathematical knowledge and pedagogical  skills as their career develops. 

School leaders should consider:  •

how best to ensure that the development needs of staff are identified. 



how these needs align with school and national developments.  



how best to engage the staff in planning a programme that will allow these needs to be  met, using local, peer support and other providers. 



the implications for the school of decisions taken relating to CPD provision. 

Policymakers should consider:  •

what kinds of national frameworks will be most effective in ensuring that teachers receive  useful and appropriate professional development throughout their careers. 

 

External insights, partnerships and support  When  the  impact  and  relevance  of  modern  education  is  discussed  in  the  national  media  the  provocative question "what is the point of studying mathematics?" is often raised.   Carl Friedrich  Gauss,  who  was  labelled  the  "Prince  of  Mathematicians",  himself  described  mathematics  as  the  "Queen of the Sciences", reflecting its fundamental role underpinning a huge range of fields in the  physical,  biological  and  social  sciences,  as  well  as  engineering,  communications,  transport,   

19

commerce,  economics  and  medicine.    In  addition,  even  the  most  esoteric  aspects  of  pure  mathematics may find their influence – as exemplars of precise and logical thinking – in fields such  as law, ethics and philosophy.  In view of its influence on so many aspects of our modern society  the relevance of studying mathematics would seem beyond doubt. How, then, can mathematics  teachers in Scottish schools best harness the remarkable wider societal impact of their subject to  enthuse  and  inspire  students?    An  excellent  range  of  external  resources  and  agencies  exists  to  help.  Science  Connects  (www.scienceconnects.org.uk)  seeks  to  promote  and  coordinate  outreach  in  STEM  subjects,  linking  schools  with  local  University  and  industry  contacts,  who  are  trained  as  STEM Ambassadors.  Science Connects also provides learning resources and regular news updates  for  schools,  highlighting  opportunities  for  involvement  in  practical  STEM  activities.  Schools  can  thus  access  in  a  variety  of  ways  the  knowledge  and  enthusiasm  of  experts  who  are  employing  mathematics in their studies, their research or their careers.  Links with schools can range from a  single‐visit  lecture  or  workshop,  led  e.g.  by  one  or  more  graduate  students,  to  an  extended  collaboration.  In the latter case several Scottish universities offer a “Schools’ Ambassador” course  to their senior undergraduates: here a student spends a few months working closely with a single  teacher or class, helping to deliver a series of lessons on a particular topic.  In a related initiative,  STEM‐ED  Scotland  has  recently  launched  “Connecting  it  up”,  a  project  aiming  specifically  to  integrate support for Curriculum for Excellence across STEM disciplines. This project is developing  learning progressions that unite the STEM subjects around ‘big ideas’ in science and mathematics  –  recognizing  that  these  can  be  taught  more  effectively  through  cross‐disciplinary  collaboration  and reinforcement.  The importance of mathematics to the Sciences was highlighted by the Deans  of Science who stated that, ‘Using these (mathematical) skills in the course of science study should  significantly  enhance  the  science  itself,  whilst  also  reinforcing  progress  in  mathematics.’    Key  mathematical  skills  which  are  important  within  STEM  disciplines  include  scale,  proportion,  measurement,  data  handling  and  probability,  geometry  and  graphs,  handling  equations  and  algebra,  manipulating  units  as  well  as  a  facility  with  the  concepts  of  justification  and  proof.    At  more advanced levels such skills as trigonometry, coordinate geometry, vectors and calculus are  key.  The inclusion of mathematics within the Scottish Science Baccalaureate it also welcomed and  by  building  strong  mathematical  skills  in  the  CfE  Broad  General  Education  and  into  the  Senior  Phase, this would also enhance achievement in the STEM disciplines.    Scottish  industry  can  also  directly  provide  strong  exemplars  of  the  far‐reaching  influence  of  mathematics and its importance for future career prospects; these may be particularly effective if  they are drawn from within the local community.  CBI Scotland and local Chambers of Commerce  can assist teachers with establishing contacts. A number of our larger businesses and companies –  for example in engineering, electronics, IT and the financial sector – already have staff dedicated  to  schools  liaison  and  outreach,  but  for  Scotland’s  many  SME’s  the  opportunity  for  establishing  schools’ links may be seen as no less important and mutually beneficial.  In  the  wider  media  the  recent  growth  of  high‐profile  science  programming  on  television,  particularly on the BBC, has included excellent examples in pure and applied mathematics:  “The  Story of Maths”; “The Beauty of Diagrams”; “Beautiful Equations”; “The Joy of Stats”; “The Secret  Life of Chaos”; “Wonders of the Solar System”.  These programmes are accessible and entertaining  while offering deep insights into the influence and wonder of mathematics, and are presented by  passionate  communicators  who  stand  as  powerful  role  models  for  aspiring  mathematicians  and  scientists.   

20

In order to maximise the potential benefits to be gained from effective external  contacts, partnerships and support  Teachers should consider:   •

how to best utilise available external contacts, partners and support to help make  learning more relevant and engaging, and to enable learners to make connections to  the real world by applying their mathematical learning . 

School leaders should consider:  •

how best to facilitate and sustain such external links and partnerships so that they will  flourish and impact positively on learning. 

Policymakers should consider:  •

in what ways they can best promote and further develop opportunities for effective  partnerships working e.g. through local and national clubs, events and competitions. 

 

References                                                          i  Wiliam, D., Lee, C., Harrison, C., & Black, P. J. (2004). Teachers developing assessment for  learning: impact on student achievement. Assessment in Education: Principles Policy and  Practice, 11(1), 49‐65.  ii

 Boaler, J. (1997). Experiencing school mathematics: teaching styles, sex and setting. Buckingham,  UK: Open University Press. 

iii

 Coben, D. (2005). Adult numeracy: shifting the focus: a report and recommendations on adult  numeracy in Scotland. Edinburgh, UK: Scottish Government. 

iv

 Sheffield, D., & Hunt, T. (2006/2007). How does anxiety influence maths performance and what  can we do about it? MSOR Connections, 6(4), 19‐23. 

v

  See, for example: Askew, M., Brown, M. L., Johnson, D. C., Rhodes, V., & Wiliam, D. (1998).  Effective teachers of numeracy in primary schools. Primary Practice(15), 4‐6. Coben, D. (2005).  Adult numeracy: shifting the focus: a report and recommendations on adult numeracy in  Scotland. Edinburgh, UK: Scottish Government. 

vi

 Definition from Learning NC accessed online on 5/1/11 at  http://www.learnnc.org/reference/number+sense See also Understanding a Child’s  Development of Number Sense at http://www.illuminations.nctm.org/Reflections_preK‐2.html  

  vii

 

 http://wiki.laptop.org/go/What_makes_Mathematics_hard_to_learn%3F 

21

                                                                                                                                                                                     viii  Swain, J., & Swan, M. (2007). Thinking through mathematics: research report. London, UK:  National Research and Development Centre for Adult Literacy and Numeracy. Available from  https://www.ncetm.org.uk/public/files/254415/research_report.pdf  ix

x

 Askew, M., Brown, M. L., Rhodes, V., Johnson, D. C., & Wiliam, D. (1997). Effective teachers of  numeracy: final report. London, UK: King's College London School of Education. 

 Darling‐Hammond, L., Wei, R. C., Andree, A., Richardson, N., & Orphanos, S. (2009). A status  report on teacher development in the United States and abroad. Dallas, TX: National Staff  Development Council. 

xi

 Bolam, R., & Weindling, D. (2006). Synthesis of research and evaluation projects concerned with  capacity‐building through teachers’ professional development: final report. London, UK: General  Teaching Council for England. Available from  http://www.gtce.org.uk/133031/133036/133039/133112/full_report 

xii

 Cordingley, P., Bell, M., Isham, C., Evans, D. and Firth, A. (2007) What do specialists do in CPD  programmes for which there is evidence of positive outcomes for pupils and teachers?  Technical Report. Research Evidence in Education Library. London: EPPI‐Centre, Social Science  Research Unit, Institute of Education, University of London. Available from:  http://www.eppi.ioe.ac.uk/cms/Default.aspx?tabid=2275 

 

22